Νέα αρχιτεκτονική κβαντικής υπολογιστικής από το MIT

Η υπόσχεση της κβαντικής υπολογιστικής

Η κβαντική υπολογιστική υπόσχεται να εκτελεί εργασίες που είναι αδύνατες ακόμη και για τους πιο ισχυρούς υπερυπολογιστές του κόσμου. Στο μέλλον, οι επιστήμονες αναμένουν να χρησιμοποιήσουν την κβαντική υπολογιστική για την προσομοίωση συστημάτων υλικών, τη μελέτη της κβαντικής χημείας και τη βελτιστοποίηση δύσκολων προβλημάτων, με επιπτώσεις που μπορεί να εκτείνονται από τα χρηματοοικονομικά έως τη φαρμακευτική.

Η πρόκληση της διασύνδεσης

Ωστόσο, η πραγματοποίηση αυτής της υπόσχεσης απαιτεί ανθεκτικό και επεκτάσιμο υλικό. Μία από τις προκλήσεις στην κατασκευή ενός μεγάλης κλίμακας κβαντικού υπολογιστή είναι η εύρεση ενός αποτελεσματικού τρόπου διασύνδεσης των κβαντικών κόμβων πληροφορίας — μικρότερων κόμβων επεξεργασίας που είναι διαχωρισμένοι σε ένα τσιπ υπολογιστή. Επειδή οι κβαντικοί υπολογιστές είναι θεμελιωδώς διαφορετικοί από τους κλασικούς υπολογιστές, οι συμβατικές τεχνικές μετάδοσης ηλεκτρονικών πληροφοριών δεν μπορούν να εφαρμοστούν άμεσα στις κβαντικές συσκευές. Παρόλα αυτά, ένα πράγμα είναι σίγουρο: Είτε μέσω κλασικής είτε κβαντικής διασύνδεσης, οι πληροφορίες πρέπει να μεταδίδονται και να λαμβάνονται.

Η αρχιτεκτονική του MIT

Προς αυτή την κατεύθυνση, οι ερευνητές του MIT έχουν αναπτύξει μια αρχιτεκτονική κβαντικής υπολογιστικής που επιτρέπει την επεκτάσιμη, υψηλής πιστότητας επικοινωνία μεταξύ υπεραγώγιμων κβαντικών επεξεργαστών. Στην εργασία που δημοσιεύτηκε σήμερα στο Nature Physics, οι ερευνητές του MIT παρουσιάζουν το πρώτο βήμα, την ντετερμινιστική εκπομπή μεμονωμένων φωτονίων — φορέων πληροφορίας — σε μια καθορισμένη κατεύθυνση. Η μέθοδός τους εξασφαλίζει ότι η κβαντική πληροφορία ρέει στη σωστή κατεύθυνση περισσότερο από το 96% του χρόνου.

Η σημασία των κβαντικών διασυνδέσεων

Η σύνδεση πολλών από αυτές τις μονάδες επιτρέπει τη δημιουργία ενός μεγαλύτερου δικτύου κβαντικών επεξεργαστών που είναι διασυνδεδεμένοι μεταξύ τους, ανεξάρτητα από τη φυσική τους απόσταση σε ένα τσιπ υπολογιστή. «Οι κβαντικές διασυνδέσεις είναι ένα κρίσιμο βήμα προς τις αρθρωτές υλοποιήσεις μεγαλύτερης κλίμακας μηχανών που κατασκευάζονται από μικρότερα μεμονωμένα εξαρτήματα», λέει ο Bharath Kannan, PhD ’22, συν-συγγραφέας μιας ερευνητικής εργασίας που περιγράφει αυτή την τεχνική.

Η αρθρωτή προσέγγιση

«Η ικανότητα επικοινωνίας μεταξύ μικρότερων υποσυστημάτων θα επιτρέψει μια αρθρωτή αρχιτεκτονική για κβαντικούς επεξεργαστές, και αυτό μπορεί να είναι ένας απλούστερος τρόπος κλιμάκωσης σε μεγαλύτερα συστήματα σε σύγκριση με την προσέγγιση της χρήσης ενός μεγάλου και περίπλοκου τσιπ», προσθέτει ο Kannan.

Η μεταφορά κβαντικής πληροφορίας

Σε έναν συμβατικό κλασικό υπολογιστή, διάφορα εξαρτήματα εκτελούν διαφορετικές λειτουργίες, όπως μνήμη, υπολογισμός κ.λπ. Η ηλεκτρονική πληροφορία, κωδικοποιημένη και αποθηκευμένη ως bits (που λαμβάνουν την τιμή 1 ή 0), μεταφέρεται μεταξύ αυτών των εξαρτημάτων χρησιμοποιώντας διασυνδέσεις, οι οποίες είναι καλώδια που μετακινούν ηλεκτρόνια σε ένα επεξεργαστή υπολογιστή.

Η πολυπλοκότητα της κβαντικής πληροφορίας

Αλλά η κβαντική πληροφορία είναι πιο περίπλοκη. Αντί να κρατά μόνο μια τιμή 0 ή 1, η κβαντική πληροφορία μπορεί επίσης να είναι και 0 και 1 ταυτόχρονα (ένα φαινόμενο γνωστό ως υπέρθεση). Επίσης, η κβαντική πληροφορία μπορεί να μεταφέρεται από σωματίδια φωτός, που ονομάζονται φωτόνια. Αυτές οι πρόσθετες πολυπλοκότητες καθιστούν την κβαντική πληροφορία εύθραυστη, και δεν μπορεί να μεταφερθεί απλά χρησιμοποιώντας συμβατικά πρωτόκολλα.

Τα κβαντικά δίκτυα

Ένα κβαντικό δίκτυο συνδέει κόμβους επεξεργασίας χρησιμοποιώντας φωτόνια που ταξιδεύουν μέσω ειδικών διασυνδέσεων γνωστών ως κυματοδηγοί. Ένας κυματοδηγός μπορεί να είναι είτε μονόδρομος, μετακινώντας ένα φωτόνιο μόνο προς τα αριστερά ή προς τα δεξιά, είτε μπορεί να είναι αμφίδρομος.

Η πρόκληση των κυματοδηγών

Οι περισσότερες υπάρχουσες αρχιτεκτονικές χρησιμοποιούν μονόδρομους κυματοδηγούς, οι οποίοι είναι ευκολότεροι στην υλοποίηση, καθώς η κατεύθυνση στην οποία ταξιδεύουν τα φωτόνια καθορίζεται εύκολα. Αλλά καθώς το κβαντικό δίκτυο επεκτείνεται, χρειάζονται περισσότεροι κυματοδηγοί, γεγονός που καθιστά αυτή την προσέγγιση δύσκολη στην κλιμάκωση. Επιπλέον, οι μονόδρομοι κυματοδηγοί συνήθως ενσωματώνουν επιπλέον εξαρτήματα για την επιβολή της κατευθυντικότητας, γεγονός που εισάγει σφάλματα επικοινωνίας.

Η αμφίδρομη επικοινωνία

«Μπορούμε να απαλλαγούμε από αυτά τα απωλεστικά εξαρτήματα αν έχουμε έναν κυματοδηγό που μπορεί να υποστηρίζει διάδοση και προς τις δύο κατευθύνσεις, και έναν τρόπο να επιλέγουμε την κατεύθυνση κατά βούληση. Αυτή η ‘κατευθυντική μετάδοση’ είναι αυτό που επιδείξαμε, και είναι το πρώτο βήμα προς την αμφίδρομη επικοινωνία με πολύ υψηλότερες πιστότητες», λέει ο Kannan.

Η αρχιτεκτονική του MIT

Χρησιμοποιώντας την αρχιτεκτονική τους, πολλαπλές μονάδες επεξεργασίας μπορούν να συνδεθούν κατά μήκος ενός κυματοδηγού. Ένα αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό του σχεδιασμού της αρχιτεκτονικής είναι ότι η ίδια μονάδα μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο ως πομπός όσο και ως δέκτης, λέει. Και τα φωτόνια μπορούν να αποσταλούν και να συλληφθούν από οποιεσδήποτε δύο μονάδες κατά μήκος ενός κοινού κυματοδηγού.

Η κλιμακωσιμότητα της αρχιτεκτονικής